BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang - Reduksi Harmonisa Pada Sistem Distribusi 3 Fasa 4 Kawat Menggunakan Four Branch Star Filter Dan Passive Single-Tuned Filter (Studi Kasus Pada Transformator Distribusi 20 KV/400 V)
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Peradaban manusia modern adalah salah satunya ditandaidengan kemajuan teknologi. Dalam bidang elektronika, peralatan seperti TV, komputer, Air
Conditioner , ataulampu neon semakin mudah untuk ditemukan di masyarakat. Di
sektor industri, penggunaan peralatan motorlistrik yang dikendalikan oleh converter dan peralatan lainnyayang menggunakan prinsip elektronikasemakin meluas. Beban elektronik dikategorikan sebagai bebannon linier. Dikatakan beban non linier karena beban tersebut menarik arus yang berbentuk gelombang, dengan tegangan yang disuplai, tetapidalam bentuk non-sinusoidal.
Arus yang tidak sinusoidal tersebut ikut membawa arus selain pada frekuensi fundamental (harmonik) ke jaringan. Tingkat kandungan harmonik yang tinggi pada jaringan distribusi dapat menyebabkan kualitas energi sistem menjadi buruk karena faktor daya menjadi rendah, distorsi gelombang tegangan, rugi-rugi semakin besar, pemanasan lebih padatransformator, sistem arus netral terganggu sehingga penghantar netral terbebani lebih tinggi serta penggunaan energi listrikmenjadi tidak efisien.
Seperti diuraikan di atas, distorsi harmonik memiliki korelasi untuk terjadinya penggunaan energi listrik yang tidak efisien. Hal ini tentu saja berkaitan erat dengan masalah biaya. Masalah ini menjadi semakin penting melihat kenyataan bahwa saat ini harga energi listrik di Indonesia semakin mahal, setidaknya jika dibandingkan dengan negara-negara di ASEAN lainnya.
Dalam upaya mengatasi masalah inefisiensi ini, diperlukan upaya untuk meredam tahap-tahapdistorsi harmonik. Saat ini peredaman harmonisa dapat dilakukan pada tiga sisi sistem tenaga listrik. Cara pertama dilakukan pada sisi beban sebagai sumber harmonisa untuk mengurangi kandungan harmonisa, sehingga pengaruh harmonisa dapat diredam atau tidak begitu dirasakan. Cara kedua dilakukan dengan peredaman harmonisa pada sisi jaringan jala-jala, yaitu meletakkan filter pasif maupun aktif dalam bentuk seri atau paralel terhadap sumber harmonisa di suatu lokasi pada satu Power Common Coupling (PCC) sehingga pengaruh harmonisa di beban lain pada PCC yang sama dapat teredam. Cara ketiga dilakukan dengan menghindarkan efek dari harmonisa pada peralatan listrik yang sensitif terhadap harmonisa maupun peralatan utama pada sistem tenaga listrik sehingga kinerjanya tidak terganggu dan masih dapat mensuplai tenaga listrik dengan baik.
Berdasarkanhal-hal tersebut, maka pada penelitian ini diajukan suatu metode untuk mengurangi kandungan harmonisa arus di jala-jala sistem distribusi tenaga listrik. Konsep dasar yang digunakan adalah penguranganharmonisaarusdi jala-jala sistem dengan cara mengurangikomponen-komponen harmonisa arus yang mendominasi arussistemtersebut.
Beban-beban pada sistem tenaga listrik tiga fasa empat kawat membangkitkan harmonisa arus urutan positif/negatif. Harmonisa ini menyebabkan kenaikan resonansi, distorsi tegangan, pemanasan lebih, bertambahnya rugi-rugi, kegagalan dan penuaan dini pada peralatan listrik, dan sebagainya. Beban-beban non linier satu fasa yang biasanya terhubung pada konduktor fasa dan netral menambahkan harmonisa arus urutan nol orde 3,9, dan 15. Harmonisa arus orde kelipatantiga atauharmonisaarusurutannol yang dibangkitkandari beban-bebannon liniersatu fasa tersebut terkumpul pada konduktor netral sehingga menyebabkan harmonisa arus pada kawat netral yang dapat mencapai tiga kali lebih besar dari harmonisa arus pada fasanya. Arus harmonisa urutan nol ini dapat menyebabkan pembebanan berlebih pada konduktor netral, naiknya tegangan antara netral dengan tanah, bertambahnya distorsi tegangan fasa, dan pemanasan berlebih pada transformator . Selain itu beban-beban satu fasa ini dapat mengakibatkan ketidakseimbangan pada sistem tiga fasa sehingga menimbulkan arus pada netral transformator. Arus yang mengalir di netral transformator ini menyebabkan terjadinya losses (rugi-rugi), yaitu losses akibat adanya arus netral pada penghantar netral trafo dan losses akibat arus netral yang mengalir ke tanah.
Gambar 1.1. Gelombang Tegangan dan Arus Hasil Pengukuran Pengaruh adanya beban non linier juga dirasakan pada jaringan distribusi seperti yang terjadi pada sistem distribusi tenaga listrik milik PT. PLN (Persero) Wilayah Sumatera Utara Area Medan. Berdasarkan pengukuran pada suatu transformator distribusi ditemukan adanya gejala harmonisa yang mengakibatkan bentuk gelombang arus yang tidak sinusoidal seperti diperlihatkan pada Gambar 1.1.Tabel 1.1. Kandungan Harmonisa Tegangan Hasil Pengukuranh
IHD v (%) Standar IEEE 519-1992 Bus Voltage at PCC 69kV and Below (%) Keterangan
Fasa R Fasa S Fasa T 1 100 100 100 - 3 0,5 0,39 0,32
3 Sesuai Standar IEEE 519-1992 5 2,78 2,34 2,69
3 Sesuai Standar IEEE 519-1992 7 0,46 0,39 0,42
3 Sesuai Standar IEEE 519-1992 9 0,10 0,10 0,33
3 Sesuai Standar IEEE 519-1992 11 0,76 0,69 0,70
3 Sesuai Standar IEEE 519-1992 13 0,25 0,15 0,24
3 Sesuai Standar IEEE 519-1992 15 0,06 0,09 0,11
3 Sesuai Standar IEEE 519-1992 17 0,16 0,11 0,11
3 Sesuai Standar IEEE 519-1992 19 0,19 0,14 0,19
3 Sesuai Standar IEEE 519-1992 21 0,01 0,04 0,02
3 Sesuai Standar IEEE 519-1992 THDv 3,01 2,54 2,89
5 Sesuai Standar IEEE 519-1992
Berdasarkan gelombang tegangan dan arus hasil pengukuran, dapat diidentifikasi kandungan harmonisa yang terjadi seperti diperlihatkan pada Tabel 1.1 dan Tabel 1.2. Kandungan harmonisa ini dapat menimbulkan permasalahan pada sistem tenaga listrik, dimana kerap terjadi distorsi harmonisa tegangan maupun arus menjadi semakin besar karena dihasilkan oleh berbagai lokasi pada sistem. Oleh karena itu diperlukan upaya untuk mengendalikan tingkat harmonisa hingga mencapai batas tertentu sehingga tidak menimbulkan permasalahan pada sistem tenaga listrik. Terdapat berbagai organisasi pada tingkat nasional maupun internasional yang memberikan standar berisi panduan, rekomendasi praktis dan batasan harmonisa yang masih dapat ditolerir pada sistem tenaga listrik. Salah satunya adalah Standar IEEE 519-1992 yang mengajukan batasan injeksi harmonisa arus yang masih dapat diterima pada sistem tenaga listrik.
Tabel 1.2. Kandungan Harmonisa Arus Hasil Pengukuranh
IHD i (%)
Standar IEEE
519-1992
SCR=45(20<I SC /I L <50)
(%)
Keterangan Fasa R Fasa S Fasa T Netral 1 100 100 100 100 -3 20,10 18,13 23,25 266,65
7 Melebihi Standar IEEE 519-1992 5 7,34 5,63 7,58 12,37
7 Melebihi Standar IEEE 519-1992 7 1,62 1,73 0,20 10,40
7 Sesuai Standar IEEE 519-1992 9 1,80 1,74 3,22 30,18
7 Sesuai Standar IEEE 519-1992
11 1,40 1,20 2,12 5,99 3,5 Sesuai Standar IEEE 519-1992
13 0,91 0,63 0,21 3,19 3,5 Sesuai Standar IEEE 519-1992
15 0,64 0,65 0,57 8,91 3,5 Sesuai Standar IEEE 519-1992
17 0,32 0,27 0,58 2,22 3,5 Sesuai Standar IEEE 519-1992
19 0,41 0,15 0,83 2,42 2,5 Sesuai Standar IEEE 519-1992
21 0,20 0,34 0,30 2,57 2,5 Sesuai Standar IEEE 519-1992
THD i
21,67 19,25 25,49 269,39
Berdasarkan standar IEEE 519-1992 dengan rasio hubung singkat seperti diuraikan pada Lampiran 2 terlihat kandungan harmonisa arus yang melebihi batas yang diizinkan yaitu harmonisa ke-3 dan 5. Sementara itu harmonisa tegangan yang terjadi masih sesuai dengan standar IEEE 519-1992 tersebut. Kondisi ini menunjukkan transformator mengirimkan tegangan sinusoidal namun mensuplai beban yang mengandung beban non linier sehingga menyebabkan arus yang mengalir tidak lagi sinusoidal.
Berdasarkan Tabel 1.2 terlihat kandungan harmonisa arus didominasi oleh harmonisa ke-3 dan 5yaitu berturut-turut sebesar 20% dan 7%. Harmonisa arus terbesar terjadi pada harmonisa ke-3 dan ke-5 hingga melebihi standar yang diizinkan berdasarkan Standar IEEE 519-1992. Harmonisa ke-3 merupakan harmonisa arus urutannol sebagai akibat adanya beban-bebannon liniersatu fasa, sehingga dapat diduga bahwa beban yang dicatu oleh transformator terdiri dari beban-beban non
linier satu fasa sehingga menimbulkan ketidakseimbangan pada sistem tiga fasa dan
selanjutnya menyebabkan timbulnya harmonisa arus urutan nol. Hal ini dibuktikan oleh hasil pengukuran dimana terjadi ketidakseimbangan arus pada tiap fasanya.
Berdasarkanuraian tersebut, diperlukan metode efektif untuk mengurangi kandungan harmonisa arus di jala-jala sistem distribusi tenaga listrik tersebut yaitu dengan mengeleminir komponen-komponen harmonisa arus yang mendominasi arussistemtersebut. Harmonisa yang terkandung sistem tenaga listrik yang diukur didominasi oleh harmonisa ke-3 yang merupakan komponen harmonisa urutan nol (triplen) dan harmonisa ke-5 yang merupakan komponen harmonisa urutan negatif.
Metode yang seharusnya digunakan adalah meredam harmonisa urutan nol sekaligus mampu meredam harmonisa urutan negatif.
Banyak metode yang telah dilakukan oleh peneliti sebelumnya dalam meredam harmonisa pada jaringan distribusi, diantaranya seperti terlihat pada
Pada penelitian yang diajukan di tesis ini akan dilakukan suatu teknik pengurangan harmonisa arus pada sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa empat kawat dengan mengeleminir komponen harmonisa arus urutan nol atau harmonisa arus orde kelipatan tiga yang mendominasiarus sistem tersebut sekaligus meredam harmonisa urutan positif atau negatif. Pengeleminirandilakukan dengan cara pelaluan arus netral sistem menggunakan suatu rangkaian pelalu arus urutan nol berupa Four
Branch Star (FBS) Filter.Penggunaan Four Branch StarFilter diharapkan dapat meminimasi arus netral pada sistem distribusi daya tiga fasa empat kawat.
Tabel 1.3. Penelitian mengenai model filter harmonisayang telah dilakukanNo Nama Judul Penelitian Metode Jenis Filter yang Dirancang Hasil yang Diperoleh 1. Pekik A.
Dahono,dkk , IEEE A Practical Approach to Minimize the Zero- Sequence Current Harmonics in Power Distribution Systems
Pendekatan praktis dan sederhana untuk meminimalkanharm onisa arus urutan
nol pada sistem
distribusi 3-fase 4- kawat Kombinasi zero blockingtransfor mer danzero passing transformerTHDarus berkurang dari 61,5% menjadi 36,8% diikuti dengan bertambahnya pf dari 0,75 menjdi 0,99
2. Fernando N.
Three-Phase Electromagnetic Filter for Zero-Sequence Harmonics
Mengurangi injeksi
harmonik urutan nolpada grounding tiga
fasa hubungan star
denganmenggunakan filter
elektromagnetik shuntFilter elektromagnetik shunt Arus harmonik pada urutan nol berkurang dan filter akan bekerja cepat tergantung dari tingkat hubung singkat yang di suplai
3. Bhim Singh, dkk Magnetics For Neutral Current Compensation In Three-Phase Four- Wire Distribution System
Belchior dan kawan- kawan, dkk.
Skema kompensasi arus netral menggunakan transformator THD dan arus harmonik berkurang
4. Syafruddin, dkk Zero-sequence harmonics current minimization using zero-blocking transformer and shunt LC passive filters
Perhitungan impedansi Zero- blocking transformer dan filter shunt LC
untuk mengurangi
harmonisa arus urutan nol melalui simulasi danpengujian rangkaian
modelZero-blocking transformer dan filter shunt LC
Arus netral dapat dikurangi sampai level rendah ketika daya keluaran dijaga konstan.
5. Pedro Rodriguez, dkk
Current Harmonics Cancellation in Three- Phase Four-Wire Systems by Using a Four-Branch Star Filtering Topology
Menerapkan filter
harmonik arussebagai solusi pada
jaringan tiga fasa
empat kawatFour-Branch Star Filtering Topology
Harmonisa arus pada kedua fasa dan konduktor netral dapat di batalkan
Kompensasi arus
netral dengan menggunakan susunan magnetikFour Branch Star (FBS) Filter terdiri dari kapasitor dan induktor yang bekerja
pada dua frekwensi resonansi yang berbeda. Sistem FBS Filter merupakan filter
single tune tiga fasa terhubung bintang, dimana pada titik bintangnya dihubungkan
seri pada sebuah filter single tune ke titik netral sistem. Sistem filter ini diharapkan terjadi pengurangan komponen frekuensi urutan nol (z-seq) maupun urutan positif- negatif. Sel resonansi dari filter FBS dirancang untuk mengurangi harmonisa arus salah satu atau beberapa komponen z-seq yaitu diantara harmonisa ke 3, 9, dan 15.
Dalam pemilihan filter orde hamonisa tergantung dari besar pengukuran urutan hamonisa, dengan demikian kita dapat menetapkan model filter orde hamonisa dalam merancang filter yang akan digunakan.
Dalam upaya konservasi energi, maka tesis ini akan membicarakan tentang konfigurasi rangkaian Four Branch Star (FBS) Filter yang efektif dan efisienuntuk mereduksi atau mengurangi harmonisa yang dihasilkan olehbeban non linier suatu transformator distribusi sebagai alternatif metode-metode sebelumnya. Untuk meningkatkan kinerja filter khususnya mengurangi harmonisa urutan positif-negatif
Four Branch Star (FBS) Filter dikombinasikan dengan Passive Single-Tuned Filter
sehingga diharapkan arus harmonisa dapat tereduksi dan memenuhi standar IEEE 519-1992.
1.2. RumusanMasalah
Berdasarkan latar belakang dari permasalahan di atas, maka diajukan perumusan masalah sebagai berikut:
1. Besarnya harmonisa yang dihasilkan olehbeban non linier suatu transformator distribusi.
2. RancanganFour Branch Star (FBS) Filter yang dikombinasikan dengan
Passive Single-Tuned Filter untuk mereduksi harmonisa yang dihasilkan olehbeban non linier suatu transformator distribusi.
3. Efektifitas kombinasiFour Branch Star (FBS) Filter dan Passive Single-
Tuned Filter dalam mengurangi harmonisa arus pada jala-jala sistem distribusi tenaga listrik.
1.3. BatasanMasalah
Untuk lebih memfokuskan cakupan dan berdasarkan keterbatasan akademik, dilakukan pembatasan masalah sebagai berikut:
1. Semua analisis dan perhitungan besaran-besaran dilakukan untuk kondisi sistem distribusi tenaga listrik dalam keadaan mantap (steady-
state ).Pengurangan harmonisa arus urutan nol dilakukan pada sistem
distribusi tenaga listrik tegangan rendah tiga fasa empat kawat menggunakan filter Four Branch Star dan Single-Tuned Passive Filter.
2. Tidak membahas secara mendalam mengenai penyebab timbulnya harmonisa yang terjadi pada sistem tenaga listrik yang diukur.
3. Analisis pengurangan harmonisa arus dilakukan dengan bantuan model rangkaian ekivalen yang disimulasikan menggunakan program komputerMATLAB/Simulink dengan menganggap beban non linear sebagai pembangkit harmonisa arus pada sistem tenaga listrik.
4. Tidak membahas resonansi dan pengaruh terhadap sistem lain yang ditimbulkan oleh penggunaan filter Four Branch Star dan Single-Tuned
Passive Filter.
5. Pengurangan harmonisa yang diharapkan merujuk pada standar IEEE 519-1992.
1.4. Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan merancangfilter Four Branch Star (FBS) dan Single-
Tuned Passive Filter untuk mereduksi atau mengurangi harmonisa yang dihasilkan
olehbeban non linier pada sistem distribusi tenaga listrik tiga fasa empat kawat untuk memenuhi standard harmonisa IEEE 519-1992.
1.5. Manfaat Penelitian
Diharapkan penelitian ini dapat bermanfaat untuk: 1.
Mendapatkan suatu metode alternatif untuk mengurangi harmonisa arus pada sistem distribusi tiga fasa empat kawat.
2. Sebagai sumbangan bagi ilmu pengetahuan dan teknologi bahwasanya metoda reduksi yang digunakan dapat diaplikasikan untuk mengurangi permasalahan harmonisa yang terdapat pada sistem distribusi tenaga listrik.